Роторная машина Советский патент 1991 года по МПК F04D5/00 F04D11/00 

Изобретение относится к насосострое- нию, а именно конструкциям вихревых роторных машин.

Цель изобретения - повышение напора насоса,

На фиг. 1 изображено меридианальное сечение роторной машины; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - сечение В-В на фиг. 2; на фиг. 5 - многодисковая роторная машина, меридианальное сечение.

Роторная машина содержит закрепленный на валу 1 вращающийся диск 2 с пере- пускными осевыми отверстиями 3, размещенный в неподвижном корпусе 4 с канавками 5 на его внутренних боковых поверхностях 6 и 7 по обе стороны диска 2. Канавки 5 выполнены спиральными, причем канавки 5 на одной поверхности 6 корпуса 4 смещены относительно канавок 5 на другой (7) на величину половины шага tn между кана вками 5, а центры 8 перепускных отверстий 3 в диске 2 расположены по идентичной спирали с шагом tn/2 в направлении нормали к спиральным кривым, равным половине шага tn между канавками 5.

Для повышении производительности насос может иметь на одном валу 1 несколько дисков 2, каждый из которых заключается в свой корпус. Подвод среды осуществляется либо через патрубок 9 и перепускные отверстия 10 в ступичной части диска 2 на вход в полость 11, либо через внутренние полости 12 неподвижных корпусов на вход в полости 11, Отвод осуществляется через патрубок 13, который соединяется с полостями 14, образованными на выходе из спиральных канавок 5.

При вращении диска 2 среда, заполняющая полости по обеим боковым поверхностям б и 7 неподвижного корпуса 4, в результате сил вязкости увлекается в движение. Вследствие та кого движения возрастает давление в полости 14. Однако, величина создаваемого напора оказывается сравнительно небольшой, если не принимаются специальные меры по усилению закрутки, Наибольшая величина сообщаемой закрутки в полости между неподвижной стенкой и вращающимся диском не превышает 0,5 от окружной скорости диска при условии, что отсутствует прокачка среды. При наличии прокачки величина закрутки оказывается еще меньшей. Для сообщения среде большей энергии используется периодический перепуск некоторой части прокачиваемой среды с одной стороны диска 2 на другую через перепускные осевые отверстия 3. При таком перепуске вытекающая среда приобретает местную окружную ско0

5

0

5

0

5

рость диска, что возможно достичь в случае, когда длина отверстий будет составлять не менее трех калибров от диаметра. При осуществлении подобного взаимодействия местные касательные напряжения г, прикладываемые со стороны вращающегося диска к протекающей среде, можно представить в виде r VxCU-w).(1)

где Vx - осредненная по времейи скорость периодического истечения среды через сквозные отверстия;

U - окружная скорость диска;

а) - скорость течения среды;

р- плотность среды.

Величина создаваемого напора на элементе длины спиральной канавки 5 может быть представлена в виде

„Р.т.аиал. . (2)

где dF - bdl - боковая поверхность спираль-- ной канавки 5 на элементе длины dl;

f h-b - площадь поперечного сеч ения канавки;

b, h - соответственно ширина и глубина канавки 5;

KF - коэффициент пропорциональности, учитывающий размер боковой поверхности, к которой прикладываются напряжения г, в долях от F.

На основании записанных выражений создаваемый перепад давлений на всей длине спиральной канавки 5 оказывается равным

AP Kp-k /yoVxCU-ftOdf,

п о

(3)

где L - полная длина спиральной канавки 5;

I -:относительная к

располагаемая вдоль канавки 5.

40| -- относительная координата,

Как следует из выражения (3), для дости- жения наибольшего эффекта, в первую очередь, следует стремиться к максимальному увеличению отношения L/h, при этом также немаловажное значение имеет достижение наибольшего значения осредненной скоро- сти истечения Vx и величины (U- (о).

Для реализации описанного принципа каналы на боковых поверхностях 6 и 7 неподвижного корпуса 4 выполняются в виде ряда спиральных канавок 5, который распо- лагаются с равным шагом tn в окружном направлении и разделяются друг от друга перемычками. При таком конструктивном оформлении создаваемый напор оказывается еще зависящим от угла наклона спиральной канавки к окружному направлению

ДР Кр- (UcosV-w)df, (4)

По

где w - расходная составляющая скорости среды, направленная вдоль спиральной канавки 5.

Для осуществления периодического перепуска некоторой части сжимаемой среды с одной стороны диска 2 на другую необходимо создание переменного перепада давления между входом и выходом из сквозных отверстий 3. С этой целью спиральные канавки 5 на боковых поверхностях выполняются со смещением относительно друг друга в окружном направлении на величину половины шага tn (фиг. 2). Одновременно с этим центры 8 перепускных отверстий 3 на диске 2 также располагаются по спиральным линиям, идентичным канавкам 5 на боковых поверхностях 6 и 7, при этом в пределах одного нормального шага канавок 5 располагается два ряда перепускных отверстий 3.

При этом создаваемый перепад давлений между полостями 11 и 14 на входе и выходе распределяется по длине спиральных канавок 5 по одинаковому закону. В этом случае при постоянном давлении в поперечном сечении канавок 5 и в виду их относительного смещения в окружном направлении давление между входом и выходом на каждом из осевых отверстий 3 оказывается неодинаковым. При вращении диска 2 это давление между входом и выходом периодически изменяется, оставаясь в противофазе друг к другу. Появление периодического изменения давления иллюстрируется на фиг. 4. Из представленной схемы течения также следует, что ввиду кратности нормальных шагов перепускных отверстий 3 на диске и спиральных канавок 5 на боковых поверхностях 6 и 7 процесс истечения будет упорядоченным и знакопеременным. Это означает, что колебательный процесс является вынужденным и будет существовать в широком диапазоне частот вращения диска.

Роторная машина по аналогии с вихревой машиной может быть использована как в насосном, так и турбинном режимах, причем и в том и другом случаях она сможет создавать.или преобразовывать в механическую энергию большие,перепады давления.

Для увеличения производительности или пропускной способности возможно размещение на одном валу 1 нескольких дисков 2. В этом случае подвод или отвод протекат ющей среды может осуществляться через отверстия 12 в ступичной части диска или

через внутренние полости 14, предусматриваемые в неподвижном корпусе 4.

Максимальная величина развиваемого насосом напора при W - 0 может быть записана через соответствующие осредненные величины в виде

ДР Кр-Ј-( -UcosVOcp. (5) Отсюда следует

H 2KF -cosV- -.(6)

Как можно видеть, относительный напор оказывается пропорциональным

Кр -г- cos ty и Vx/U. Величина L/hcos ty является чисто конструктивным параметром и определяется длиной и глубиной спиральных канавок 5. Этот параметр при выполнении канавок 5 по эвольвентным линиям 0 может изменяться в достаточно широких пределах. В частности, длина дуги такой спирали определяется выражением

L--f-(rf-rf),(7)

5 где RO - радиус окружности, с которой начинается спираль, описывающая своим концом эвольвенту;

ух и ipi - углы поворота нормали к эвольвенте, соответствующие началу и кон0 цу эвольвентной дуги по отношению к исходному положению (фиг. 2), когда начальная точка эвольвенты располагается на окружности радиуса RO.

Если в качестве варианта рассматри5 вать роторную машину, у которой , - 1,047 (60°) и р2 - 2,39 (137°), то длина дуги эвольвенты составит L 115,5 мм, при этом внутренний радиус RI, с которого начинаются эвольвентные спирали по отноше0 нию оси вращения, и наружный радиус R2, на котором эти -спирали оканчиваются, будут соответственно равны RI 72,4 мм и Ra 129,6мм. Для этого случая величина наклона эвольвентной спирали к окружному направ5 лению на радиусах RI и R2 соответственно равняется 45° и $ 23°, что дает среднее значение этого угла порядка V 34°.

Глубина спиральных канавок 5 h должна выбираться исходя из обеспечения требуемой объемной производительности и достижения необходимой напорности., Если глубину канавок 5 ограничить величиной h 2 мм. то значение комплекса L/hcos ty будет составлять 480.

Следующим комплексом, который нуждается в оценке, является отношение средней за полупериод скорости истечения Vx через осевые отверстия 3, к окружной скорости U на среднем радиусе диска R (Ri +

0

5

+ R2)/2, где размещаются указанные пере- пускгше отверстия 3.

Средняя скорость в урловиях знакопе- ременности истечения должна определяться с учетом сил инерции. Так как согласно второму закону Ньютона сила равна производной импульса по времени, то изменение скорости в перепускных осевых отверстиях связано с переменным давлением, возникающим на этих отверстиях, соотношением dVx ДРотЬ dt

(8)

plorb

где А Рог b - А Ро sin О) t - переменный перепад давлений;

А Ро - амплитудное значение перепада давлений;

lorb - глубина перепускных отверстий; р - плотность.

Средняя величина этой скорости за полупериод равняется

2АРо

л

(9)

plorbft)

со - угловая частота периодического процесса, равная произведению угловой чап п

стоты вращения диска Шд -

30

и числа

спиральных канавок 2, т.е. со й)д Z

Так как перепад давлений А Рог Ь, возникающий на перепускных отверстиях, пропорционален развиваемому напору АР и обратно пропорционально числу каналов Zn. попадающих в сечение, нормальное к Направлению эвольвентных спиралей, то можно записать соотношение

АР 2Zn

1 АР0тЬ - Отсюда

п ... 1Г

АР.Н -у

2д

(10)

Vx

н -и2

VJL- и

2я2п2 огЬй)9 R

Л 2л2п

(11)

(12)

ZJorb

Если предположить, что число каналов, попадающих в нормальное сечение составляет Zn 3, создаваемый относительный напор равняется Н 10, частота вращения диска п - 1500 об/мин, толщина диска 1отЬ 10 мм и число спиральных канавок Z 18, то средняя скорость истечения относится к средней окружной скорости диска, примерно, как Vx/U-0,3. С учетом неизбежных гидравлических потерь реальное значение Vx/U может составлять порядка 0,25. В этом случае при среднем радиусе диска

R 101 мм и величине Кр 0,5 относительный надор составит величину

H 2KFL/hcos Vx/U-12,. что превышает принятое в качестве исходного значение Я 10.

Представленная оценка относительного напора показывает, что величина зтого параметра оказывается значительно выше известных вихревых машин.

Возможность достижения Н 10 позволяет при умеренных окружных скоростях создавать достаточно простые и компактные устройства с большим повышением давления. Аналогичные устройства могут также найти применение в качестве поглотителя

мощности с широким диапазоном изменения рабочих характеристик при проведении испытаний различных типов двигателей или турбин.

Формула изобретения

Роторная машина, содержащая закрепленный на валу вращающийся диск с перепускными осевыми отверстиями, размещенный в неподвижном корпусе с перепускными осевыми отверстиями и канавками на его внутренних боковых поверхностях по обе стороны диска, отличающаяся тем, что, с целью повышения напора, канавки выполнены спиральными, причем канавки на одной поверхности корпуса смещены относительно канавок на другой на величину половины шага между канавками, а центры перепускных отверстий в диске расположены по идентичным спиралям с шагом в направлении нормали к

спиральным кривым, равным половине шага между канавками. ч

Изобретение предназначено для повышения напора вихревой турбомашины. Это достигается расположением на боковых поверхностях 6 и 7 корпуса 4 спиральных канавок 5. При этом спиральные канавки 5 на поверхности 6 смещены в окружном направлении относительно канавок 5 на поверхности 7 на половину шага между канавками 5, а перепускные отверстия 3 расположены вдоль спиральных кривых, идентичных спиралям канавок 5. Как показывают расчеты такое выполнение позволяет в несколько раз увеличить напор, развиваемый машиной. 5 ил.

Фиг. 2

Риг.З

№4

п

12

Фаг,5